真三轴应力条件下储层岩石的多物理场耦合响应特性研究

摘要

储层岩石处于应力、温度和流体流动等多物理场耦合条件下，其力学特性和渗流规律是评价和影响储层资源开发的关键因素。由于构造应力的存在，储层岩石往往处于真三轴应力状态（σ1>σ2>σ3）。本论文以储层岩石作为研究对象，综合运用试验研究、理论分析与数值模拟等手段，系统性地分析真三轴应力条件下储层岩石的多物理场耦合响应特性。自主研制了多功能真三轴流固耦合试验系统；开展了真三轴应力条件下砂岩、页岩和煤的力学特性与渗流规律研究，重点探讨了中间主应力和中主应力比对储层岩石强度特性和渗透率的影响；基于裂隙压缩率假设，从应力角度推导了储层岩石渗透率与各主应力的关系，提出了真三轴应力条件下储层岩石渗透率计算模型；基于真三轴应力条件下储层岩石渗透率计算模型，构建了储层岩石热流固耦合模型；利用试验结果对所构建的储层岩石热流固耦合模型进行了验证，并将其用于现场工况模拟。本文的主要研究成果如下：
　　①自主研制了多功能真三轴流固耦合试验系统。该系统可以对真三轴应力条件下的岩石力学特性与流体渗流规律进行研究。该系统所具有的内密封渗流系统和伺服增压系统相互配合，对试件进行了有效的密封，首次实现了真三轴应力条件下气液的自由渗流控制与监测。
　　②开展了真三轴应力条件下储层岩石强度特性试验。随着最小主应力和中间主应力的升高，储层岩石抗压强度逐渐升高，岩石破坏时的广义剪应力也逐渐升高。同时，岩石抗压强度的σ2效应强弱还受σ3大小的影响。
　　③开展了真三轴应力条件下砂岩渗透率试验。随着σ1、σ2和σ3的升高，砂岩渗透率均表现出下降的趋势。然而，砂岩渗透率的下降并不明显，仍保持在同一个数量级。在σ1、σ2和σ3的升高过程中，σ3对砂岩渗透率的影响最大，σ2次之。σ1最小。
　　④开展了真三轴应力条件下页岩渗透率试验。随着σ1、σ2和σ3的升高，不同层理方向条件下页岩渗透率均表现出下降的趋势。页岩渗透率下降幅度大约为2~3个数量级，较之砂岩渗透率下降幅度更为明显，表现出对应力较强的敏感性。各方向主应力对渗透率的影响是有差异的，其渗透率变化过程表现出明显的各向异性，而渗透率下降最明显的过程均为加载垂直于层理面方向应力的过程。结果表明了页岩层理对其渗透率的控制作用。
　　⑤开展了真三轴应力条件下原煤渗透率试验。随着σ1、σ2和σ3的升高，原煤渗透率均表现出下降的趋势。整个应力升高过程，原煤渗透率降低了大约1~2个数量级，其对应力的敏感性介于页岩和砂岩之间。
　　⑥储层岩石初始的裂隙分布、弯曲度和连通度等都具有明显的各向异性。除此之外，由于裂隙形态和其变形模量的各向异性，裂隙在应力升高过程中的变化也是各向异性的。基于储层岩石各向异性的考虑，在S&D渗透率计算模型的基础上提出了真三轴应力条件下储层岩石的渗透率计算模型，并利用试验结果对该模型的适用性进行了验证。
　　⑦构建了储层岩石热流固耦合模型，实现了CH4流动与储层岩石变形的耦合。利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件，验证了所建立的储层岩石热流固耦合模型，并利用该模型开展了CH4抽采热流固耦合数值模拟。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容及技术路线

2 多功能真三轴流固耦合试验系统的研制

2.1 系统主要结构

2.2 系统主要技术参数

2.3 系统主要功能及特点

2.4 小结

3 储层岩石物理力学性质

3.1 砂岩物理力学性质

3.2 页岩物理力学性质

3.3 煤物理力学性质

3.4 本章小结

4 真三轴应力条件下储层岩石的力学特性与渗流规律

4.1 概述

4.2 真三轴应力条件下砂岩力学特性与渗流规律

4.3 真三轴应力条件下页岩力学特性与渗流规律

4.4 真三轴应力条件下原煤力学特性与渗流规律

4.5 本章小结

5 储层岩石渗透率计算模型研究

5.1 概述

5.2 储层岩石渗透率模型

5.3 真三轴应力条件下储层岩石渗透率计算模型

5.4 真三轴应力条件下储层岩石渗透率计算模型的验证

5.5 本章小结

6 储层岩石热流固耦合模型的建立与应用

6.1 概述

6.2 储层岩石热流固耦合应力场方程

6.3 储层岩石中CH4流动模型

6.4 储层岩石变形与CH4流动的交叉耦合

6.5 温度场控制方程

6.6 储层岩石热流固耦合模型控制方程组

6.7 定解条件

6.8 储层岩石热流固耦合模型的数值实现

6.9 储层岩石热流固耦合模型的应用

6.10 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文的研究成果及结论

7.2 主要创新点

7.3 后续研究工作及展望

致谢

参考文献

附录

A. 作为第一作者或者通讯作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

D. 作者在攻读博士学位期间所获奖励